1999年以来洞庭湖城陵矶水沙变化及成因分析

余 果

（湖南师范大学资源与环境科学学院 长沙市 410081）

何林福

（岳阳市人民政府 岳阳市 414000）

洞庭湖出口城陵矶是联系长江与洞庭湖的水流通道，对江湖水沙关系有巨大影响，许多学者就城陵矶水位、水位流量及水沙关系进行了研究[1-5]。2003年6月三峡水库的正式蓄水运用，给江湖关系带来新的变化。本文采用城陵矶（七里山）站1999～2009年的水沙数据，分析洞庭湖这段时间水沙的变化规律及影响因素，有利于更好的掌握洞庭湖水文情势，应对江湖关系的新变化。

1 径流、泥沙年际变化

从图1中看出，出湖径流量、输沙量的变化基本同步，均在2002～2003年出现较大变化，两者在此时间段之前呈上升趋势，而此时间段之后呈现缓慢波动下降趋势。为了反映径流、泥沙年际变化幅度的大小，通过计算绝对变化比率K：

图1 洞庭湖城陵矶1999～2009年径流量、输沙量过程线

式中Qmax——年径流（泥沙）最大值；

Qmin——年径流（泥沙）最小值；

K——径流（泥沙）的年际绝对变化值，K值越大，年际变化幅度越大。

1955～2008 年城陵矶多年平均径流量 2 898亿m3，1999～2009年平均径流量为2 462亿m3，比多年平均值偏少15%。1999～2009年间径流量最大值为3 393亿m3，最小值为1 990亿m3，两者比值K=1.7，径流年际绝对变化率大。年径流量在2003年前后出现较大转折，2003年以前，年径流量均值2 825亿m3，比多年平均值偏少2.5%，相差不大，K值1.46，年际变化较大；2003以后，年径流量均值2 255亿m3，比2003年以前减少了20.1%，差异明显，K值1.35，年际变化减小。说明三峡运行以前，城陵矶年径流量总体较大，年际变化波动明显。三峡运行以后，洞庭湖总体出湖径流量减少，但年际变化趋缓。

由于径流是泥沙的输送载体，所以城陵矶站输沙量的变化类似于径流量的年际变化。城陵矶多年平均输沙量3 680万t，就1999～2009年总体而言，输沙量年平均值1 722万t，比多年平均值偏少53.2%，K值2.13，比径流量年际变化剧烈。2003年前，年均输沙量2030万t，K值1.35；2003年后，年均输沙量1 546万t，K值1.56。据数据分析，2003年前输沙量多，且年际变化波动较小，比较稳定；2003年后出湖年输沙量较之前减少了31.3%。三峡水库运行以来，洞庭湖的泥沙量减少明显而且年际变化剧烈，湖区泥沙沉积逐渐减少，水流冲刷作用明显，对于城陵矶泥沙变化的影响将慢慢显现，进而影响城陵矶站水位、洞庭湖调蓄量。

2 径流量、输沙量年内变化

洞庭湖出口控制站城陵矶站的径流量、输沙量受气候、三口及四水等因素的影响，径流、泥沙年内分配并不均匀，并呈现一定的波动性，本文采用变差系数Cv来反映两者年内分配不均的状况，计算方法如下：

式中S——径流（泥沙）年内分配标准差；

Σ——径流（泥沙）年内变差系数；

Xi——各月径流量（输沙量）与年径流量（输沙量）的比值；

X——各月平均占全年百分比，即X=100%/12=8.33%；n=12。标准差与变差系数的值越大，表明各月径流量（输沙量）相差越悬殊，即年内分配越不均匀。

根据城陵矶站1999～2009年各月实测水沙，按此公式分别计算出水沙的Cv值（表1）。

表1 城陵矶1999～2009年径流、泥沙年内分布特征值

从表1可看出，径流年内变差系数为2.92～1.56，波动幅度较大，而2003年以前波动更加剧烈，Cv均值2.1，2003年以后Cv均值2.0，略呈下降趋势，也说明三峡水库的运行对于洞庭湖的调蓄量起到了很好的作用，径流年内稳定程度上升。洞庭湖流域处于中北亚热带湿润气候区，降水集中在雨季，受此气候影响，径流量也集中在汛期。汛期多年平均出湖水量2 120亿m3，占全年比重为73.3%；1999～2009年汛期平均出湖水量1 782亿m3，比多年平均值偏少16%，占全年比重为72.2%；1999～2002年汛期平均出湖水量2 073亿m3，比多年平均值偏少2.2%，占全年比重为72.7%；2003～2009年汛期平均出湖水量1 615亿m3，比多年平均值偏少23.8%，占全年比重为71.6%。说明三峡水库运行后，城陵矶站汛期出湖水量占全年比重有所降低，全年径流分配趋于平衡稳定，水库对于径流的时间分布具有调节作用。在各月分配上，多年出湖平均流量7月最大，占全年16.4%，1月最小，占全年2.5%。从1999～2009年实测资料看，11年平均流量7月最大，占全年15.5%，12月最小，占全年3.0%。2003年以前平均流量7月最大，占全年17.4%，1月最小，占全年2.5%；2003年以后平均流量6、7月最大，同占全年14.4%，12月最小，占全年2.65%。在多种因素的影响下，城陵矶站出湖流量占全年最小月由1月变为12月，最大月份不变但水量小了，且持续时间加长，径流稳定性增加。

从表1结果可看出，泥沙Cv值比径流变化幅度大，波动更加明显。1999～2009年变差系数为1.64～2.80，均值2.14，1999～2002年Cv均值1.89，2003年以后Cv均值 2.28，前后差异明显，输沙量年内变化加剧，分配不均匀。汛期多年平均输沙量2 487万t，占全年比重为67.4%；1999～2009年汛期平均输沙量1 099万t，比多年平均值偏少55.8%，占全年比重为63.8%；1999～2002年汛期平均输沙量1321万t，比多年平均值偏少46.9%，占全年比重65.1%；2003～2009年汛期平均输沙量973万t，比多年平均值偏少61%，占全年比重62.9%。由以上数据可以看出泥沙集中在汛期，与径流量的年内分配一致，且汛期输沙量减少明显，直接影响到全年泥沙的变化。从各月分配来看：1999～2009年5月最大、占全年13.3%，12月最小、占全年3.8%；1999～2002年4月最大、占全年15.8%，1月最小、占全年3.1%；2003年以后5月最大、占全年13.3%，12月最小、占全年3.7%。这与月平均流量占全年比例的最大、最小月份一致，体现了径流、泥沙变化的相应性。而与径流的年内变化不同，输沙量的Cv值朝着增加的方向发展，特别是在2003年三峡工程运行以后这个加大的趋势愈发明显，说明泥沙的年内波动将更加剧烈，这与三峡水库蓄水运用、荆江三口断流等因素有极大关系。

3 水沙变化影响因素

影响城陵矶水沙变化的因素多且其关系复杂，总体来说有气候变化和人类活动等，如土地利用、水库、河道裁弯工程等均可改变流域冲淤及水沙时空分布。洞庭湖流域广阔，三口、四水以及区间来水来沙对城陵矶出湖径流量、输沙量的演变产生影响。

3.1 降水量变化

受亚热带季风气候的影响，洞庭湖流域降水年际年內变化大 （图2），1970～2009年平均年降水量1 373 mm，总体比较稳定，而在1999～2009年这一段时间内年降水波动明显，降水量呈现下降的趋势，特别是2003～2009年，平均年降水量只有1 237 mm，较总体偏少9.9%，其变化与图1径流泥沙的年际变化趋势基本一致。从图2中可知，枯水期降水量比较稳定，在500 mm上下波动不大，而丰水期降水波动幅度较大，最大值1 433 mm，最小值493 mm，且变化频繁，2002年以后却呈现稳定的下降趋势，这也直接影响年降水量的减少。由于降水量的60%以上集中在丰水期，特别是4～6月，且多为大雨和暴雨，形成径流后携带大量悬移质泥沙进入洞庭湖，影响城陵矶输沙量的年内变化。由前面分析可知，泥沙的年内分配与降雨的年内分配基本一致。由此可以认为降雨量的年内年际变化是城陵矶径流泥沙年内年际变化的主要影响因子。

图2 洞庭湖1970～2009年降水量年际年内变化过程线

3.2 三峡水库运行

三峡水库运行初期蓄水位156 m，取得良好效果，2010年蓄水位达175 m，正式承担综合利用任务。三峡水库的运行对长江流域各水系产生的影响是巨大的，洞庭湖是长江中游重要的吞吐型湖泊，三峡带来的变化显而易见。表2为三峡水库运行后荆江三口汛入湖水量变化情况。

表2 三峡水库运行后荆江三口汛期(4～9月)入湖水量变化 亿m3

对径流量而言，洞庭湖入湖径流来源分为三部分，多年平均入湖径流量四水占57.2%、三口占30.1%、区间占12.7%，三峡工程影响的是三口入湖径流量。因为三峡自每年9月中旬开始进入蓄水阶段，下泄量锐减，长江干流上游来水减少，水位降低，长江水无法进入洞庭湖，导致三口断流时间提前、持续时间延长，入湖水量相应减少。个别站点甚至在汛期末即断流，断流时间持续大半年，如2006年康家岗站断流336天，几乎全年无水。这种表现在枯水期尤其明显，此时洞庭湖湖口比降加大，受长江顶托作用减小，水位较长江高，城陵矶流向长江的流速加快，径流加大，出流量相应增加。而每到汛期，三峡为防洪考虑腾空库容，加上上游来水量大，库区下泄洪量增加，干流水位上涨，三口入湖水量基本集中于汛期。表2说明三峡运行后三口入湖水量汛期占全年比重明显上升，由76.5%上升到87.0%，距平值也大幅度下降，由-12.4%降为-33.5%，说明汛期三口入湖总水量较多年平均大副减少。对输沙量而言，三峡的蓄水运用，使得占洞庭湖泥沙来源80.5%的三口入湖泥沙大幅度减少，三峡工程蓄水运用前，三口多年平均输沙量为12 000万t，而三峡工程蓄水运用后，2003～2008年三口平均年输沙量降为1 352万t，减少了10 600万t。这也直接影响城陵矶输沙量的年际变化（图1）。

三峡工程蓄水使泥沙在库区淤积，清水下泄，下游河道冲刷作用加强，河床下切，河道纵比降加大，荆江在三口的分水分沙比降低，入湖径流输沙量减少，影响到城陵矶出湖径流泥沙的变化。由此可以判断三峡水库的蓄水运用是城陵矶出湖径流泥沙减少的主要动因。

3.3 四水水库运行

到2009年，四水流域建成的大中小型水库13 000多座，其中大型水库21座、总库容266.29亿m3，占四水多年平均径流量的16%，控制面积161 897 km2，占四水流域总面积的70%。大型水利工程的建设运用，使四水流域入湖径流量历年一直比较稳定，也未对城陵矶历年出湖径流产生深刻影响。而四水入湖泥沙却呈现减少趋势，根据有关资料统计，1989～1995年四水年均入湖沙量2 330万t，1996～2002年减少到1 584万 t，2003～2008年只有986万t，可见水库截留了大量泥沙，以及流域各种水土保持措施的贯彻实施，对于城陵矶出湖泥沙量的减少有一定的影响。所以可以认为水利工程和水土保持措施是四水流域入湖泥沙减少的主要原因。

4 结 论

（1）径流、泥沙表现出水多沙多、水少沙少的特点，年际变化基本同步，都在2003年发生较明显的变化，呈现减少趋势：2003年以后径流量减少了20.1%，输沙量减少了31.3%，城陵矶站输沙量的减少比径流量减少的幅度更大、更明显。

（2）径流年内变化趋于稳定，汛期比重降低，枯水期比重上升，年内分配各月趋于平均；泥沙的年内变化加大，年内分配各月差异较大。

（3）三峡水利工程的蓄水运用、四水流域兴建的水利工程以及近几年洞庭湖流域降水量的偏低，是城陵矶径流量、输沙量发生上述变化的主要原因。在2003年发生明显突变，是由于三峡工程蓄水运用对洞庭湖影响巨大。

1 李义天，邓金运，孙昭华，等.泥沙淤积与洞庭湖调蓄量变化[J].水利学报，2000，(12)：48-52.

2 李学山，王翠平.荆江与洞庭湖水沙关系演变及对城螺河段水情影响分析[J].人民长江，1997，28（8）：6-8.

3 徐贵，黄云仙，黎昔春，等.城陵矶洪水位抬高原因分析[J].水利学报，2004，（8）：33-37.

4 施修端，夏薇，杨彬.城陵矶站水沙及水位流量关系变化分析[J].人民长江，2000，31（3）：35-36，47.

5 段文忠，郑亚慧，刘建军.长江城陵矶-螺山河段水位抬高及原因分析[J].2001，（2）：29-34.